一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法
阅读说明：本技术 一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法 (Annular pressure drop calculation method suitable for long open hole section of ultra-deep well ) 是由 曾德智 罗江 汤明 石建刚 易浩 喻智明 李双贵 蒋振兴 于 2021-01-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法,属于石油与天然气钻井技术领域。其特征在于：首先收集超深井钻柱资料和测井曲线数据,将不规则裸眼等效为椭圆井眼,筛选得到各样点截面,从而确定各截面环空流体过流面积和湿周长度；进一步计算等效水力直径和平均轴向流速,得到平均剪切速率,从而获取修正流性指数；进一步计算有效稠度系数、屈服值和剪切速率,从而得到有效粘度；进一步根据环空流动雷诺数计算值,得到范宁摩擦参数,最终计算出裸眼井段层流环空流动压降。本发明数值计算过程简单,能快速、准确预测不规则裸眼的环空压降,有助于超深井优快钻井参数的计算。(The invention discloses an annular pressure drop calculation method suitable for a long open hole section of an ultra-deep well, and belongs to the technical field of petroleum and natural gas drilling. The method is characterized in that: firstly, collecting ultra-deep well drill string data and logging curve data, enabling irregular open holes to be equivalent to elliptical well holes, and screening to obtain cross sections of various sample points, so as to determine the annular fluid overflowing area and wetted perimeter length of each cross section; further calculating the equivalent hydraulic diameter and the average axial flow velocity to obtain an average shear rate, thereby obtaining a corrected fluidity index; further calculating the effective consistency coefficient, the yield value and the shear rate to obtain the effective viscosity; and further calculating a Reynolds number value of the annular flow to obtain a Vanning friction parameter, and finally calculating the laminar annular flow pressure drop of the open hole section. The method has simple numerical calculation process, can quickly and accurately predict the annular pressure drop of irregular open holes, and is favorable for calculating the optimal and rapid drilling parameters of the ultra-deep well.)
技术领域
本发明涉及石油与天然气钻井技术领域，具体是涉及一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法。
背景技术
随着社会能源需求的不断增长，地质情况复杂、开采难度大的深部油气资源开发程度要求越来越高，而深井、超深井钻井技术仍需进一步完善与发展。其中，超深井环空压降的计算是钻井水力参数设计的核心内容之一，若计算或预测结果与实际环空压降误差较大，易导致井漏、井壁失稳、卡钻等井下复杂事故，提高钻井成本，因而对于满足工程实际应用，能够快速、准确预测超深井长裸眼井段环空压降的研究是很有必要的。
目前，针对超深井环空压降计算方法的研究中，“一种井底压力预测的方法及系统”(申请公布号：CN 109854237 B)主要考虑钻屑在环空中体积浓度的影响，计算了钻井液有效密度和含钻屑时钻井液流变参数，从而确定环空压降大小，实现对井底压力有效预测的目的；“一种偏心圆管环空幂律流体流态的测算方法”(申请公布号：CN 101498214 B)主要考虑钻井液在偏心环空的流动状态，提出了偏心圆管环空横截面任一间隙雷诺数的计算方法，以及计算了偏心圆管环空层流、紊流的区域角度。但是，实际钻井过程中井眼在非均匀地应力等因素的作用下通常呈椭圆形，除现场应用困难的椭圆井眼仿真模拟外，现有的环空压降计算方法通常考虑规则的圆形井眼，导致该段计算结果与井下实际环空压降存在一定误差，对于超深井椭圆形井眼环空压降计算时，累积误差会更大，更易导致井下复杂事故的发生。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法，以解决现有的超深井在非均匀地应力等因素作用下椭圆形井眼环空压降计算存在较大误差的问题，数值计算过程简单，能够快速、准确预测不规则裸眼的环空压降，提高钻井作业的安全性。
本发明采用以下技术方案，一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据所收集的超深井钻柱资料和测井曲线具体数据，将不规则裸眼等效为椭圆井眼，分析筛选出k个样点截面，确定第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi、钻柱半径ri(i＝1,2,3,…,k-1,k)和第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,…,k-1)；
步骤二：将步骤一中的第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri代入公式(1)获取第i个样点截面处环空流体过流面积Ai；
Ai＝πaibi-πri 2(i＝1,2,3,…,k-1,k) (1)
式中：Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；ri为第i个样点截面处钻柱半径，m；
将步骤一中的第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri代入公式(2)获取第i个样点截面处湿周长度Li；
Li＝π(ai+bi)+2πri(i＝1,2,3,…,k-1,k) (2)
式中：Li为第i个样点截面处湿周长度，m；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；ri为第i个样点截面处钻柱半径，m；
步骤三：将步骤二中的第i个样点截面处环空流体过流面积Ai和湿周长度Li代入公式(3)中，计算出裸眼等效水力直径Davg；
式中：Davg为裸眼等效水力直径，m；Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；Li为第i个样点截面处湿周长度，m；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；
将步骤二中的第i个样点截面处环空流体过流面积Ai代入公式(4)，计算出裸眼平均轴向流速vavg；
式中：vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；Q为环空流体流量，m3/s；
步骤四：将步骤三中的裸眼等效水力直径Davg和裸眼平均轴向流速vavg代入公式(5)中，计算出裸眼流体平均剪切速率γavg；
式中：γavg为裸眼流体平均剪切速率，1/s；Davg为裸眼等效水力直径，m；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；
步骤五：将步骤四中的裸眼流体平均剪切速率γavg代入公式(6)中，计算出修正流性指数m；
式中：m为修正流性指数，无量纲；n为流性指数，无量纲；K为流体稠度系数，Pa·Sn；γavg为裸眼流体平均剪切速率，1/s；τy为流体屈服值，Pa；
步骤六：将步骤五中的修正流性指数m代入公式(7)中，计算出流体有效稠度系数Kef；
式中：Kef为流体有效稠度系数，Pa·Sn；K为流体稠度系数，Pa·Sn；m为修正流性指数，无量纲；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(8)中，计算出流体有效屈服值τef；
式中：τef为流体有效屈服值，Pa；τy为流体屈服值，Pa；m为修正流性指数，无量纲；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(9)中，计算出流体有效剪切速率γef；
式中：γef为流体有效剪切速率，1/s；γavg为流体平均剪切速率，1/s；m为修正流性指数，无量纲；
步骤七：将步骤六中的流体有效稠度系数Kef、流体有效屈服值τef和流体有效剪切速率γef代入公式(10)中，计算出流体有效粘度ηef；
ηef＝τef·γef -1+Kef·γef n-1 (10)
式中：ηef为流体有效粘度，Pa/s；Kef为流体有效稠度系数，Pa·Sn；τef为流体有效屈服值，Pa；γef为流体有效剪切速率，1/s；n为流性指数，无量纲；
步骤八：将步骤七中的流体有效粘度ηef代入公式(11)中，计算出裸眼环空流动雷诺数Re；
式中：Re为裸眼环空流动雷诺数，无量纲；ρ为流体密度，kg/m3；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；Davg为裸眼等效水力直径，m；ηef为流体有效粘度，Pa/s；
步骤九：将步骤八中的裸眼环空流动雷诺数Re代入公式(12)中，计算出范宁摩擦参数f；
式中：f为范宁摩擦参数，无量纲；Re为环空流动雷诺数，无量纲；
步骤十：将步骤一中的第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,…,k-2,k-1)代入公式(14)计算出环空流动距离ΔL，步骤九中的范宁摩擦参数f代入公式(13)中，计算出裸眼层流环空流动压降ΔP；
其中：
式中：ΔP为裸眼层流环空流动压降，Pa；f为范宁摩擦参数，无量纲；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；ΔL为环空流动距离，m；Davg为裸眼等效水力直径，m；li为第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离，m。
进一步，所述的环空流动距离ΔL取值范围为1～9m。
进一步，所述的样点截面数量k取值范围为5～100。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
(1)该方法根据超深井钻柱资料和测井曲线数据，分段计算椭圆形井眼变化时的环空流体过流面积，提高超深井环空压降计算的准确性。
(2)该方法通过引入环空流体的修正流性指数和有效粘度的方式，简化超深井环空压降的计算过程。
附图说明
图1是一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法包括以下步骤：
步骤一：根据所收集的超深井钻柱资料和测井曲线具体数据，将不规则裸眼等效为椭圆井眼，分析筛选出k个样点截面，确定第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi、钻柱半径ri(i＝1,2,3,…,k-1,k)和第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,…,k-1)；
步骤二：将步骤一中的第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri代入公式(1)获取第i个样点截面处环空流体过流面积Ai；
Ai＝πaibi-πri 2(i＝1,2,3,…,k-1,k) (1)
式中：Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；ri为第i个样点截面处钻柱半径，m；
将步骤一中的第i个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri代入公式(2)获取第i个样点截面处湿周长度Li；
Li＝π(ai+bi)+2πri(i＝1,2,3,…,k-1,k) (2)
式中：Li为第i个样点截面处湿周长度，m；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；ri为第i个样点截面处钻柱半径，m；
步骤三：将步骤二中的第i个样点截面处环空流体过流面积Ai和湿周长度Li代入公式(3)中，计算出裸眼等效水力直径Davg；
式中：Davg为裸眼等效水力直径，m；Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；Li为第i个样点截面处湿周长度，m；ai为第i个样点截面处裸眼的长轴长度，m；bi为第i个样点截面处裸眼的短轴长度，m；
将步骤二中的第i个样点截面处环空流体过流面积Ai代入公式(4)，计算出裸眼平均轴向流速vavg；
式中：vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；Ai为第i个样点截面处环空流体过流面积，m2；Q为环空流体流量，m3/s；
步骤四：将步骤三中的裸眼等效水力直径Davg和裸眼平均轴向流速vavg代入公式(5)中，计算出裸眼流体平均剪切速率γavg；
式中：γavg为裸眼流体平均剪切速率，1/s；Davg为裸眼等效水力直径，m；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；
步骤五：将步骤四中的裸眼流体平均剪切速率γavg代入公式(6)中，计算出修正流性指数m；
式中：m为修正流性指数，无量纲；n为流性指数，无量纲；K为流体稠度系数，Pa·Sn；γavg为裸眼流体平均剪切速率，1/s；τy为流体屈服值，Pa；
步骤六：将步骤五中的修正流性指数m代入公式(7)中，计算出流体有效稠度系数Kef；
式中：Kef为流体有效稠度系数，Pa·Sn；K为流体稠度系数，Pa·Sn；m为修正流性指数，无量纲；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(8)中，计算出流体有效屈服值τef；
式中：τef为流体有效屈服值，Pa；τy为流体屈服值，Pa；m为修正流性指数，无量纲；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(9)中，计算出流体有效剪切速率γef；
式中：γef为流体有效剪切速率，1/s；γavg为流体平均剪切速率，1/s；m为修正流性指数，无量纲；
步骤七：将步骤六中的流体有效稠度系数Kef、流体有效屈服值τef和流体有效剪切速率γef代入公式(10)中，计算出流体有效粘度ηef；
ηef＝τef·γef -1+Kef·γef n-1 (10)
式中：ηef为流体有效粘度，Pa/s；Kef为流体有效稠度系数，Pa·Sn；τef为流体有效屈服值，Pa；γef为流体有效剪切速率，1/s；n为流性指数，无量纲；
步骤八：将步骤七中的流体有效粘度ηef代入公式(11)中，计算出裸眼环空流动雷诺数Re；
式中：Re为裸眼环空流动雷诺数，无量纲；ρ为流体密度，kg/m3；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；Davg为裸眼等效水力直径，m；ηef为流体有效粘度，Pa/s；
步骤九：将步骤八中的裸眼环空流动雷诺数Re代入公式(12)中，计算出范宁摩擦参数f；
式中：f为范宁摩擦参数，无量纲；Re为环空流动雷诺数，无量纲；
步骤十：将步骤一中的第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,…,k-2,k-1)代入公式(14)计算出环空流动距离ΔL，步骤九中的范宁摩擦参数f代入公式(13)中，计算出裸眼层流环空流动压降ΔP；
其中：
式中：ΔP为裸眼层流环空流动压降，Pa；f为范宁摩擦参数，无量纲；vavg为裸眼平均轴向流速，m/s；ΔL为环空流动距离，m；Davg为裸眼等效水力直径，m；li为第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离，m。
进一步，所述的环空流动距离ΔL取值范围为1～9m。
进一步，所述的样点截面数量k取值范围为5～100。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例：
一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所收集的超深井钻柱资料和测井曲线具体数据，将不规则裸眼等效为椭圆井眼，分析筛选出5个样点截面，确定各样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi、钻柱半径ri(i＝1,2,3,4,5)和第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,4)，单位为m，具体数据如下：
(a1,b1,r1,)＝(0.112,0.093,0.070)，(a2,b2,r2)＝(0.135,0.121,0.070)，
(a3,b3,r3)＝(0.115,0.098,0.070)，(a4,b4,r4)＝(0.108,0.108,0.070)，
(a1,b1,r1)＝(0.141,0.126,0.070)，(l1,l2,l3,l4)＝(0.11,0.26,0.35,0.58)；
步骤二：将步骤一中的5个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri(i＝1,2,3,4,5)代入公式(1)分别获取各样点截面处环空流体过流面积A1＝0.017m2，A2＝0.036m2，A3＝0.020m2，A4＝0.021m2，A5＝0.040m2，；
将步骤一中的5个样点截面处裸眼的长轴长度ai、短轴长度bi和钻柱半径ri(i＝1,2,3,4,5)代入公式(2)分别获取各样点截面处湿周长度L1＝1.084m，L2＝1.244m，L3＝1.109m，L4＝1.118m，L5＝1.279m；
步骤三：将步骤二中的5个样点截面处环空流体过流面积Ai和湿周长度Li(i＝1,2,3,4,5)代入公式(3)中，计算出裸眼等效水力直径Davg＝0.095m；
将步骤二中的5个样点截面处环空流体过流面积Ai(i＝1,2,3,4,5)和已知参数环空流体流量Q＝0.02m3/s代入公式(4)，计算出裸眼平均轴向流速vavg＝0.741m/s；
步骤四：将步骤三中的裸眼等效水力直径Davg和裸眼平均轴向流速vavg代入公式(5)中，计算出裸眼流体平均剪切速率γavg＝62.400 1/s；
步骤五：将步骤四中的裸眼流体平均剪切速率γavg和已知参数流性指数n＝0.58，流体稠度系数K＝1.04，流体屈服值τy＝10.42Pa代入公式(6)中，计算出修正流性指数m＝0.303；
步骤六：将步骤五中的修正流性指数m代入公式(7)中，计算出流体有效稠度系数Kef＝2.756；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(8)中，计算出流体有效屈服值τef＝27.615Pa；
将步骤五中的修正流性指数m代入公式(9)中，计算出流体有效剪切速率γef＝165.370 1/s；
步骤七：将步骤六中的流体有效稠度系数Kef、流体有效屈服值τef和流体有效剪切速率γef代入公式(10)中，计算出流体有效粘度ηef＝0.489Pa/s；
步骤八：将步骤七中的流体有效粘度ηef和已知参数流体密度ρ＝1280kg/m3代入公式(11)中，计算出裸眼环空流动雷诺数Re＝184.265；
步骤九：将步骤八中的裸眼环空流动雷诺数Re代入公式(12)中，计算出范宁摩擦参数f＝0.087；
步骤十：将步骤一中的第i个样点截面与第i+1个样点截面间环空流动距离li(i＝1,2,3,…,k-2,k-1)代入公式(14)计算出环空流动距离ΔL＝1.30m，步骤九中的范宁摩擦参数f代入公式(13)中裸眼层流环空流动压降ΔP＝1673.460Pa。
通过上述的计算，实施例中裸眼环空流动距离ΔL＝1.30m的环空压降为1673.460Pa。
该方法考虑实际钻井过程中井眼在非均匀地应力等因素的作用下通常呈椭圆形的情况，采用分段计算椭圆井眼变化时的环空流体过流面积，修正裸眼等效水力直径的方法，同时引入环空流体的修正流性指数和有效粘度，以此提出了一种适用于超深井长裸眼井段的环空压降计算方法。该方法基于超深井钻柱资料、测井曲线数据和已知工程参数，可对超深井长裸眼井段环空压降进行快速、准确地预测，为钻井水力参数设计提供数据支撑，有助于实现超深井优快钻井，减少钻井成本。
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